某型安裝支架的疲勞壽命分析

張 磊 彭海軍 楊建新

1.海軍駐洛陽地區航空代表室，河南 洛陽，417009；2.海軍航空工程學院青島分院，山東 青島，266041

某型安裝支架的疲勞壽命分析

張 磊1彭海軍2楊建新2

1.海軍駐洛陽地區航空代表室，河南 洛陽，417009；2.海軍航空工程學院青島分院，山東 青島，266041

某設備通過安裝支架固定在飛機座艙中，在飛機大幅度、長時間的劇烈振動下，支架結構在薄弱點處發生斷裂。采用Catia和UG對該設備及其安裝支架建立三維模型，對設備裝配的振動模態、安裝支架的應力分布及安裝支架尺寸對疲勞壽命的影響進行了分析和計算。計算結果表明，側壁厚度對支架壽命影響很小，Z向振動是導致安裝支架斷裂的主要原因，斷裂發生在Z向應力集中處。計算結果與故障現象一致。

安裝支架；應力；疲勞壽命

某設備是飛行員了解機上各類設備工作狀態的顯示設備，通過安裝支架固定在座艙的正前方。在使用過程中，因機體的劇烈振動導致支架出現裂縫，嚴重時有斷裂的危險[1]。分析其振動模態、應力分布，確定失效原因，對于預測其工作壽命和改進結構設計具有重要意義[2]。本文對該設備和安裝支架分別建立有限元模型，采用有限元方法對兩種尺寸的支架進行計算，并分析其失效原因。

1 幾何模型和有限元模型

通用有限元計算軟件具有完整的建模、計算和數據后處理功能，但是對復雜結構的建模非常繁瑣，因此使用Catia軟件對該設備結構建立幾何模型，采用UG對支架建立幾何模型。該設備的裝配幾何模型及坐標系如圖1所示。據圖1對設備和安裝支架進行有限元網格劃分，得到有限元模型如圖2所示。圖中底部綠色部分表示安裝支架。

2 有限元計算

根據圖2所示有限元模型，采用阻尼法計算其振動模態及共振頻率，采用模態疊加法計算隨機振動的動應力，采用應變壽命法計算其疲勞壽命。

2.1 模態分析

在各種隨機振動頻率的激勵下，計算該設備及其安裝支架的振動模態和共振頻率。圖3和圖4是支架側壁厚度為6mm時，設備及其安裝支架的共振模態。由圖可看出，第6階共振頻率為264Hz，因此振動失效的主要分析頻段在1kHz以內。

2.2 等效應力計算

根據第四強度理論（形狀改變比能理論），在復雜應力狀態下，材料達到危險狀態的標志是形狀改變比能vd達到簡單拉伸或壓縮時形狀比能的極限值vd0[3]。Von Mise應力就是復雜應力狀態下材料內部的等效應力。

首先計算最大等效應力的分布位置，如Z向隨機振動的最大應力發生部位如圖5所示。在各方向最大應力發生部位處，計算Von Mise應力功率譜密度，如圖6所示。

圖5 Z向隨機振動最大應力發生部位

圖6 X、Y和Z向隨機振動最大應力點處的Von Mise應力功率譜密度

表1 安裝支架的峰值應力（MPa）

由圖6可見，Z向應力峰值最大，因而也是研究的重點。實際故障現象也反映Z軸應力最大部位最易發生斷裂。選用強度高，密度較低的鋁合金ZL101為支架材料，其強度極限為245MPa，屈服強度為169Mpa[4]。按隨機響應的Von mise應力均方根值3倍計算峰值應力。對于側壁厚度分別為6mm和7mm的支架，其峰值應力分別為表1所示。

由表可看出，側壁厚度對Z向峰值應力影響較小。Z向的應力峰值超出了材料屈服強度，有可能導致材料失效，而X和Y向的應力峰值都在安全范圍之內。圖7為壁厚為6到10mm時，Z向峰值應力變化情況（以6mm壁厚為參考值）。曲線表明，增加壁厚并不能顯著降低結構內部Z向峰值應力。

圖7 Z向峰值應力與側壁厚度的關系

從結構上看，最大應力處有應力集中現象，因此Z向應力破壞與倒圓角有重要關系[5]。

2.3 疲勞壽命計算

由載荷時間歷程和材料應變壽命曲線計算結構危險點處疲勞損傷和壽命，如圖8～10所示。

對應時刻T= 26.21秒，計算出該時間長度下Z向振動的故障率Damage3=1.069×10-3，據此計算出疲勞壽命為Life=T/（3600×Damage）=6.8h，該時間即出現工程裂紋的估計時間。用同樣的方法計算出X向振動的故障率為2.438×10-8，疲勞壽命3×105h；Y向振動的故障率6.323×10-7，疲勞壽命1.15×104h。由計算結果也可以看出安裝支架的壽命主要受到Z向振動的疲勞壽命影響。

3 結論

本文通過對某設備及其安裝支架建立有限元模型，對其隨機振動應力分布進行有限元計算，根據計算結果對安裝支架疲勞壽命進行了預測。計算和實踐均表明，支架內部最大應力發生在Z方向，斷裂處發生了應力集中現象，增加支架側壁厚度并不能有效降低Z向應力水平。本文的分析也表明，改善支架圓倒角，對結構進行總體優化設計，是提高該設備安裝支架壽命的有效途徑。

[1] 熊華鋼, 王中華．先進航電綜合技術[M]．北京：國防工業出版社. 2009

[2] 邱法聚, 王洋定．基于局部應力應變法的大型港口起重機疲勞壽命估算[J]． 起重運輸機械. 2009,2

[3] 干光瑜, 秦惠民．材料力學[M]．北京：高等教育出版社.2004

[4] 陸明炯．實用機械工程材料手冊[M]．沈陽：遼寧科學技術出版社.2004

[5] 楊波, 戴國欣．倒圓角三角形弦支穹頂結構預應力優化[J]．建筑結構.2010, 5

Fatigue Life Analysis of Installation Bracket

ZHANG Lei1PENG Haijun2YANG Jianxin2
(1 Aeronautical Military Representative Office of Navy in Luoyang, Luoyang, 417009 2 Nava Aeronautical Eng. Institute Qingdao Branch, Qingdao, 266041)

A equipment is mounted in cockpit through installation bracket, witch may crack under long-time,fierce vibration. The 3D models of the equipment and its installation bracket are created by Catia and UG. Vibration models, stress distributing and effect of bracket dimension on fatigue life are calculated and analyzed. The analysis shows that the thickness of installation bracket has little effect on fatigue life; vibration in z axis has most effect; failure appears near where stress concentrates. The conclusion shows no difference with experience.

Installation bracket; Stress; Fatigue life

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.005.028

張磊（1977-），男，本科，工程師，研究方向：武器控制與火控，光電技術。